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公開番号2025041158
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-26
出願番号2023148279
出願日2023-09-13
発明の名称リニアエンコーダ
出願人オークマ株式会社
代理人弁理士法人YKI国際特許事務所
主分類G01D 5/26 20060101AFI20250318BHJP(測定;試験)
要約【課題】ガラススケールの温度を把握することができるリニアエンコーダを提供する。
【解決手段】リニアエンコーダは、規定の測定方向に沿って複数のトラック111,112が形成されたスケール110と、前記スケール110を挟んで対向配置された発光素子および受光素子を含み、前記スケール110を透過した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光して光源変換するセンサユニットと、を備え、前記スケール110には、さらに、サーモクロミック材からなる1以上の薄膜113が敷設されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
規定の測定方向に沿って複数のトラックが形成されたスケールと、
前記スケールを挟んで対向配置された発光素子および受光素子を含み、前記トラックを透過した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光して光源変換するセンサユニットと、
を備え、
前記スケールには、さらに、サーモクロミック材からなる１以上の薄膜が敷設されている、
ことを特徴とするリニアエンコーダ。
続きを表示（約 560 文字）【請求項２】
請求項１に記載のリニアエンコーダであって、
前記１以上の薄膜は、互いに熱変色性が異なる複数の薄膜を含む、ことを特徴とするリニアエンコーダ。
【請求項３】
請求項２に記載のリニアエンコーダであって、
前記複数の薄膜は、前記測定方向と直交する方向に並んで敷設されている、ことを特徴とするリニアエンコーダ。
【請求項４】
請求項１に記載のリニアエンコーダであって、さらに、
処理回路を備え、
前記処理回路は、前記トラックを透過した光を光電変換した信号に基づいて位置情報を算出し、前記薄膜を透過した光を光電変換した信号に基づいて、前記スケールの温度情報を算出する、
ことを特徴とするリニアエンコーダ。
【請求項５】
請求項４に記載のリニアエンコーダであって、
前記処理回路は、前記位置情報と前記温度情報とを関連付けて出力する、ことを特徴とするリニアエンコーダ。
【請求項６】
請求項４または５に記載のリニアエンコーダであって、
前記処理回路は、前記温度情報に基づいて、前記スケールの線膨張量を算出し、前記膨張量に基づいて前記位置情報を補正する、ことを特徴とするリニアエンコーダ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等に搭載されるリニアエンコーダに関し、特に、ガラス板からなるスケールを光学式に検出するリニアエンコーダに関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
従来の工作機械に搭載されたリニアエンコーダ、及び、数値制御装置の概略構成について、図を基に説明する。図９は、従来のリニアエンコーダ、及び、数値制御装置の一例を示す概略構成図である。リニアエンコーダ９０１のスケールユニット９０１ａは、制御対象たるテーブル９０５に固定されており、一方で、リニアエンコーダ９０１のセンサユニット９０１ｂは、図示しないベッドに固定されており、スケールユニット９０１ａの位置を検出し、位置データを数値制御装置９０２へ出力する。ボールねじナット９０８は、テーブル９０５に固定され、非回転状態となっている。ボールねじナット９０８は、ボールねじ９０７の回転に伴って、軸方向に移動可能となっている。ボールねじ９０７は、その両端が図示しないタックベアリングで軸支されており、カップリング９０６を介して、モータ９０４の出力軸と連結されている。ロータリエンコーダ９０３は、モータ９０４の負荷軸側に備えられており、モータ９０４の回転位置を検出し、その位置データを数値制御装置９０２へ出力する。数値制御装置９０２は、ロータリエンコーダ９０３からの位置データと、センサユニット９０１ｂからの位置データとから、制御対象物（テーブル９０５）を所望の位置へ移動させるべく、モータ９０４へ制御電流を流し、モータ９０４を回転させる。
【０００３】
さて、ここで、リニアエンコーダ９０１の存在意義について、説明したい。図９の例で、リニアエンコーダ９０１が設置されていなかった場合、制御対象たるテーブル９０５の位置は、ロータリエンコーダ９０３が出力する回転位置によって、間接的に制御されることとなる。間接的な位置検出となるため、テーブル９０５を意図した位置に制御できない。すなわち、テーブル９０５の重量と、図示しないテーブル９０５に搭載する被加工物の重量とが、図示しない案内面で発生する摩擦力を引き起こし、ひいては、ボールねじ９０７に捩れが発生する。この捩れは、ロータリエンコーダ９０３の回転位置では検出できない。結果として、テーブル９０５を意図した位置に制御できない。しかし、リニアエンコーダ９０１を搭載していれば、テーブル９０５の位置を直接的に検出できるため、その存在意義が発せられる。
【０００４】
また、温度環境による熱変位に対しても、リニアエンコーダ９０１の存在意義は発せられる。ボールねじ９０７は、回転することにより、非回転に拘束されたボールねじナット９０８との間で発熱する。テーブル９０５と図示しないベッドとの間でも、案内面での発熱がある。テーブル９０５に搭載した被加工物にクーラント液をかけた加工を行っていれば、これによって冷やされることもある。空調設備を使用した雰囲気環境でも、ベッドやテーブル９０５が冷やされる。このような時、リニアエンコーダ９０１を搭載していれば、熱変位の影響を一定程度低減することができる。
【０００５】
より熱変位の影響を低減すべく、テーブル９０５や図示しないベッドに、サーミスタ等からなる温度センサを埋設し、熱変位量を補正するような技術も広く知られている。そして、一般的に鋳物鋼材からなるテーブル９０５やベッドと、リニアエンコーダ９０１のスケールユニット９０１ａを構成するガラス材とは、線膨張係数が異なるため、熱変位量を補正する段階で、リニアエンコーダ９０１からの位置データに対し、リニアエンコーダ９０１の線膨張係数に応じた線膨張差を加味することも行われている。
【０００６】
それでも、テーブル９０５の温度センサと、リニアエンコーダ９０１のスケールユニット９０１ａ内のガラススケールとは、距離的に離れており、実際のガラススケールの温度を把握できない。また、スケールユニット９０１ａには、外部からの防塵・防滴を目的として、圧縮空気を封入して保護していることが一般的である。この圧縮空気がスケールユニット９０１ａ内へ開放された時に、ボイルシャルル則により、気体温度が低下する。これにより、スケールユニット９０１ａ内の雰囲気温度は、外部の雰囲気温度より低くなりがちである。そのため、ガラススケールの温度は、温度センサを埋設したテーブル９０５の温度よりも低くなることが多い。また、圧縮空気は、スケールユニット９０１ａの左端、或いは、右端のいずれかから導入することが一般的であり、左右いずれか圧縮空気を導入した側のガラススケールが、より低い温度に冷やされることとなる。結果として、テーブル９０５に埋設した温度センサにより検出する温度と、リニアエンコーダ９０１のスケールユニット９０１ａ内のガラススケールの温度とで、温度差があることとなり、熱変位量の補正に誤差が生じてしまう。
【０００７】
もちろん、ガラススケールに直接、温度センサを複数固定することも、理論上は可能である。図１０は、従来のリニアエンコーダ９０１の断面の一例を示す断面図である。スケールユニット１０１ａは、クロム薄膜よりなる格子状のパターンを敷設したガラススケール１１０を有している。このガラススケール１１０は、アルミカバー１１４の溝内に配置され、部分的に丸ゴム紐１１５で押さえ付けられている。また、ガラススケール１１０の長手方向の真ん中部分は、図示しない接着剤にて強固に固定されている。アルミカバー１１４の開口部は、リップシール１１６ａ，１１６ｂにて封止されている。センサユニット１０１ｂは、ＬＥＤからなる発光ユニット１１７と、フォト・ダイオードからなる受光ユニット１１８と、を有する。発光ユニット１１７および受光ユニット１１８は、フレーム筐体１１９の上部に、ガラススケール１１０を挟み込むように配置されている。図１１に、従来のガラススケール１１０の正面図の一例を示す。ハッチングしたエリアは、クロムの薄膜を蒸着した遮光膜であり、それ以外のエリアは光を透過する。ガラススケール１１０の下側には、規則的なパターンで繰り返す微細桁トラック１１１が敷設されており、上側には、Ｍ系列コードによる不規則なパターンの絶対位置桁トラック１１２が敷設されている。
【０００８】
発光ユニット１１７から発せられた光は、ガラススケール１１０のクロム遮光膜で遮られてないエリアを透過し、受光ユニット１１８へ到達する。微細桁トラック１１１を透過した光は、更に、受光ユニット１１８に設置した図示しないインデックススケールを透過する際にモアレ干渉縞状となり、微細桁用のフォト・ダイオードにて光電変換され、互いに直行する二相の正弦波状の電気信号となる。絶対位置桁トラック１１２を透過した光は、受光ユニット１１８に設置したフォト・ダイオードからなるイメージセンサ部にて、電気信号へ変換される。センサユニット１０１ｂのフレーム筐体の下部には、図１０において図示していないが、処理回路基板が内蔵されている。この処理回路基板には、受光ユニット１１８からの電気信号が入力される。微細桁トラック１１１を透過した光に由来する二相の正弦波状の電気信号は、内挿演算処理が施される。この内挿演算処理の結果から、微細桁トラック１１１の１ピッチ長内の電気角が算出される。絶対位置桁トラック１１２を透過した光に由来する信号は、粗い絶対位置信号に変換される。この粗い絶対位置信号と前述の１ピッチ長内の電気角と結合することで、微細な絶対位置データが算出される。処理回路基板には、これらの位置データへの演算を行う演算回路の他に、数値制御装置との通信を行う通信回路なども実装されている。
【０００９】
このような構造にあって、新たにサーミスタ等の温度センサをガラススケールに直接固定しようとすると、発光ユニット１１７のＬＥＤ光源から受光ユニット１１８までの距離を変えなければならないなど、スペースが大変厳しいことが分かる。また、温度センサを接続するための配線材の取り回しも考慮すると、更に、スペース的に厳しくなることが分かる。
【００１０】
そこで、特許文献１では、スケールに直接、温度センサを設置しなくても、ガラススケール自体の温度を把握できる技術が公開されている。しかし、特許文献１では、互いに線膨張係数の異なる２本のスケール部を用意せねばならない。スケール部は精密さも要求されることから、スケール部は、スケールユニットを構成する要素の中で最も高価な構成要素となりがちである。かかるスケール部を通常の２倍用意することは、コスト面でのマイナス要因であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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